固定污染源烟气在烟道中流速分布的研究

陈 斌，全继红，罗四国，刘真贞，王国贵，陶 骏，王 强，杨 凯，田一平

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

2.湖北省环境监测中心站，湖北 武汉 430072

烟气在烟道中流速分布十分复杂，由于受生产工况、烟道粗糙度、进口结构形式、烟道的变径、烟道内支撑柱和烟道的走向等因素的影响，烟道断面的气体流速通常是不均匀的。气流分布不均导致烟气净化效率下降，烟道内气流紊乱容易将沉降的粉尘带走。同时过高的风速将在烟道产生涡流和负压区。这些都增大了排放总量计算的误差。研究表明，烟气气流分布不均匀时计算排放量的结果与气流分布均匀时计算排放量结果相比，其结果相对误差约71%［1］。

国内外主要在除尘、脱硫、脱硝净化方法上进行流速分布的研究［2-8］，研究方法为数字模型和模拟试验，通过数字模拟和模拟试验绘制出等线图和三维图，进而分析筛选出净化装置最佳流速，但烟道中的烟气分布实际与烟道走向、烟道变径、烟道内的结构有关，仅采用数字模型还不能真实反映烟道内的流速分布。

常规等环面积法采用单点和多点移动测量仅能取平均值，不能反映烟道内各点流速分布特征。因为烟道内的流场是动态的，其区域分布和走向受烟道内部结构、净化方法等方面的影响，所以在时间上和不同断面上烟气流速是不一样的。从烟气流速分布的测试方法着手，采用2种自主研发的组合式流场的流速采样枪和国标方法［5］采样枪，对某燃煤电厂矩形烟道内流速进行了同时同步不同断面多点现场实验。用Surfer8.0软件绘制出烟气在烟道中的等值曲线分布图。研究结果表明，组合式采样枪同时同步多点流速采样比单点移动采样更有代表性。

1 实验部分

1.1 设备

实验仪器设备及材料见表1。

表1 实验仪器设备及材料

1.88 m组合式流场的流速采样枪属于S型多管皮托管，由5根相同的皮托管叠加排列而成，结构示意图见图1。全长1.88 m，每根皮托管内径为4 mm，外径为6 mm;相邻2根皮托管的测点相距200 mm。

图1 1.88 m组合式流场的流速采样枪结构示意图

4 m组合式流场的流速采样枪也属于S型多管皮托管，由5根相同的皮托管叠加排列而成，结构示意图见图2。全长4 m，每根皮托管内径为6 mm，外径为8 mm;相邻2根皮托管的测点相距800 mm。

图2 4 m组合式流场的流速采样枪结构示意图

1.2 监测方法

采用《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物》(GB/T 16157—1996)中S型皮托管法、温度热电偶法对烟道中烟气的流速、烟温进行测量。

1.3 采样频率

每个采样点采集6组数据，采样时间为5 min，取6组数据的平均值。

1.4 采样位置

在某燃煤电厂1#机组烟气脱硫一炉一塔净烟气烟道上进行。烟道宽3.84 m、高5.5 m，烟道截面积为21.12 m2。在烟道纵断面方向上开有6个孔，各孔中心距离为0.80 m，采样断面示意图见图3。采样位置及采样点布置详见表2。

图3 采样断面示意图

表2 采样位置及采样点布置

2 工况

实验期间企业生产工况见表3。

表3 实验期间生产工况

3 结果与分析

3.1 组合式采样枪测量

3.1.1 同一断面各测点的流速

图4为1.88、4 m组合式采样枪各测点的流速。

图4 1.88、4 m组合式采样枪各测点的流速

由图4可见，在同一断面上，烟道由内向外，流速逐渐增大。1.88 m组合式流场的流速采样枪的5个测点平均流速呈缓慢上升趋势，1#流速低，为 3.5 m/s;5#流速为 11.67 m/s。4 m 组合式流场的流速采样枪测量的流速范围为2～16 m/s，测点1#到测点3#的流速呈快速上升，测点3#到测点5#的流速呈缓慢上升。

4 m组合式采样枪和1.88 m组合式采样枪的流速变化的差别大，其原因是2种组合式流场的流速采样枪相邻2个测点之间的水平距离不同，1.88 m组合式采样枪相邻2测点之间的水平距离为200 mm，4 m组合式采样枪相邻2个测点之间的水平距离为800 mm。说明组合式采样枪的测点距离不宜过大，各测点的水平距离在200～400 mm范围内为宜。另外由内向外各点的水平距离不一样。

3.1.2 同一断面各测点的流速相关性

图5为同一断面采样点的采样深度与烟气流速的关系。

图5 同一断面采样点的采样深度与烟气流速的关系

由图5可见，1.88、4 m组合式流场的流速采样枪相比较，前者在同一断面不同点位的流速之间呈现出一定的对数关系，相关系数为0.960 6。后者的相关系数为0.769 5，比前者要差，其原因是4 m组合式流场的流速采样枪皮托管靠近叠加的方柱状，其皮托管弯曲的高度低于1.88 m组合式流场的流速采样枪皮托管的弯曲高度，烟气经过柱状部位时容易形成湍流和涡流。

3.1.3 同一断面在各测点的烟温分布

图6为4 m组合采样枪同时测量烟温、流速的结果。

图6 4 m组合采样枪同时测量烟温、流速

由图6可见，采用组合式采样枪测量方法对烟气流速、温度进行测量，随着采样深度的增加，各采样点的流速和烟温均呈逐步增加趋势。

3.2 不同采样位置单点移动测量

图7显示了单点移动测量烟气流速的比较。

图7 单点移动测量烟气流速比较

由图7可见，在孔3处，各采样点流速分别为14.11、13.91、13.55 m/s;在孔 4 处，各采样点流速分别为 14.53、14.33、13.43 m/s;在孔 5 处，各采样点流速分别为 4.82、3.86、4.57 m/s;在孔 6处，各 采 样 点 流 速 分 别 为 15.69、17.34、17.85 m/s。孔5的流速最小，孔6的流速最大。在同一采样位置上各点的流速不同，在不同采样位置上流速也不同，说明烟道内烟气的流速分布不均匀，其原因可能与烟道内支撑柱和烟气的走向有关。

3.3 单点固定采样枪阶梯测量

3.3.1 各采样位置的流速

标准方法采样枪呈阶梯状采样时，随着采样深度的等距增加，烟道中烟气流速呈递增趋势，孔1 流速为 4.47 m/s，孔 6 流速为 17.4 m/s。

3.3.2 各采样位置的流速相关性

图8显示了单点固定采样各采样位置采样深度与流速的关系。

图8 采样深度与流速之间的关系

由图8可见，采用标准方法，采样枪呈阶梯状测量时，采样深度越深，烟气流速越高，且采样点的采样深度同烟气流速呈良好的线性关系，相关系数为0.983 5。说明不同位置、不同点位的采样同时同步测量相关性好，测量结果代表性强。

3.3.3 各采样位置的烟温

当采样枪置入采样深度0.9 m，不同采样位置的烟温:孔1、孔6烟温都很高，分别为121.8、123 ℃;孔 3、孔 4、孔 5 的烟温分别为 83.7、91.5、81.7℃。不同采样位置测量的烟温呈现两端高中间低的趋势。

3.4 3种测量方式的比较

与CEMS相比，同一采样位置孔4中组合式、单点移动、单点固定3种测量方式测量的流速相对误差见图9。

图9 组合式、单点移动、单点固定3种测量方式的流速相对误差

从图9可以看出，3种测量方式的流速均小于CEMS值;4 m组合式采样枪的CEMS相对误差最小，为－22.72%;单点移动测量流速均值的CEMS相对误差为 －33.45%;单点固定测量的CEMS相对误差最大，为－35.27%。这表明组合式采样枪因能在烟道同一断面上进行同时、同步、多点测量，其测量的各测点流速均值更能反映同一断面上的流速特征。

3.5 烟温分布

采用surfer8.0软件绘制烟道采样断面的烟温等值曲线图，见图10。图10结果表明，纵断面0～3.5 m、横断面 0～1 m处烟气温度范围为70 ～90℃，属于低温度区;纵断面 4.5 ～5.5 m、横断面0～3.5 m处属于高温度区。烟气温度在烟道中的分布由烟道内侧中部分别向上部、下部逐步增高，烟气温度在烟道的上部最高为125℃。

图10 烟道内烟温等值曲线图

3.6 烟气流速分布

根据流速实验结果，采用surfer8.0软件绘制烟道采样断面的烟气流速等值曲线图，见图11。

图11 烟道内烟气流速等值曲线图

由图11中横断面可见，烟气流速从采样孔内侧向外侧流速逐步增大。采样深度在0～1 m的区域，靠近烟道壁，流速较低，流速范围 3～5 m/s，属于低流速区;采样深度在 1.5 ～2.5 m 的区域，流速分布不均匀，流速变化范围为11～17 m/s，属于中流速区;采样深度在 2.5 ～3.84 m 的区域，流速很高，范围为 15～17 m/s，属于高流速区。

由图14中纵断面可见，采样高度在0～3 m的区域，流速范围3～18 m/s;采样高度在3～4.5 m的区域，流速分布不均匀，存在涡流点，涡流处流速约为7 m/s;采样高度在 4.5～5.5 m的区域，流速范围15～17 m/s，属于高流速区。

4 结语

通过采用组合式流场的流速采样枪同时同步多点测量，同一断面移动测量和不同采样位置固定测量实验结果显示，烟气流速在烟道中的分布不均匀，烟气流速呈现4种状态:回流区域、低流速区域、中流速区域、高流速区域，流场的流速由低流速向高流速变化趋势。烟道中的烟气温度由中部向上下及外侧逐步增高，烟道顶部温度要高于烟道底部，烟道外侧温度要高于内侧温度。

组合式流场的流速采样枪在同一断面采样位置上能同时测量出各点的流速特征，而且具有一定相关性，1.88 m长的枪相关性系数为0.960 6，4 m长的枪为0.769 5，其测量数据具有准确性和可靠性。

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［5］GB/T 16157—1996 固定污染源排气中颗粒物测量与气态污染物采样方法.

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